Для чего нужен мосфет

Применение MOSFET в современных силовых импульсных устройствах

Texas Instruments UCC27201A

Несмотря на то, что нитрид-галлиевые транзисторы становятся все более популярным решением для силовых ключей, заслуженные MOSFET до сих пор можно эффективно использовать в современных приложениях.

С созданием нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов многие производители полупроводников начали переоценивать роль обычных MOSFET. Из факта появлением GaN устройств автоматически не следует, что обычные MOSFET устарели, однако перспектива повышения эффективности источников питания и уменьшения их размеров подогревает воображение разработчиков аналоговых устройств. В преддверии так называемой «нитрид-галлиевой революции» полезно разобраться, какие типы устройств имеются на сегодняшний день, и что вы можете с ними сделать.

До недавнего времени мир мощных транзисторов был грубо разделен на два типа: MOSFET и биполярные транзисторы. MOSFET остаются доминирующим типом транзисторов в силовых коммутационных схемах благодаря высокой скорости переключения и малому сопротивлению сток-исток. Ежегодно продается порядка 40 млрд. MOSFET.

MOSFET проводят электрический ток в одном направлении (вернее, наиболее эффективно проводят его в одном направлении), а их способность быстро включаться и выключаться при изменении входного напряжения (напряжения на затворе) делает их полезными для формирования импульсов. Наиболее известные из мощных переключательных схем – это импульсные источники питания, однако MOSFET также широко используются в импульсных электроприводах двигателей постоянного тока и звуковых усилителях класса D.

Биполярные транзисторы и IGBT

В отличие от мощных MOSFET, которые включаются и выключаются исключительно быстро и, в идеале, линейны, биполярные транзисторы порождают «мягкие фронты», больше напоминающие синусоидальные сигналы, чем импульсы. Они реагируют на изменения тока на своих входах, и могут использоваться для относительно медленных индуктивных нагрузок: электродвигателей, источников питания потребительских устройств и звуковых динамиков. Ежегодно используется от 7 до 8 млрд. мощных биполярных транзисторов.

Для того чтобы биполярные транзисторы вели себя подобно усилителям, необходимо дополнительно смягчать их переключательные свойства. Надо организовать им входное смещение таким образом, чтобы они всегда находились в линейной области и никогда не были полностью открыты или закрыты. Биполярные транзисторы вполне подходят для управления индуктивными нагрузками, однако, не имея такого низкого сопротивления, как MOSFET, они могут очень сильно нагреваться.

Третий тип, биполярный транзистор с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor, IGBT), фактически представляет собой биполярный транзистор с встроенным драйвером затвора. Он переключается несколько быстрее, чем биполярные устройства, но не так быстро, как MOSFET. Особое преимущество IGBT – это их способность выдерживать большие напряжения (свыше 600 В) и токи, что делает их фаворитами для управления промышленными электроприводами в системах автоматизации производства (где они управляют конвейерными лентами и манипуляторами роботов), а также в автомобилях (для управления электроприводами люков и зеркал бокового обзора). Ежегодно продается от 1.5 до 2.5 млрд. IGBT.

Поведение транзисторов

Несмотря на доступность широчайшего выбора диапазонов рабочих напряжений и токов мощных транзисторов, выпускаемых в разнообразных корпусах и обеспеченных технической поддержкой производителей, каждому из трех видов транзисторов – биполярным, MOSFET и IGBT – присуще свое поведение, определяющее области их применения. Благодаря дешевизне в больших партиях (например, стоят от 12 до 15 центов за штуку), 100-вольтовые биполярные транзисторы широко используются для получения напряжений ±40 В в усилителях мощности звукового диапазона. (В биполярные транзисторы для аудиоприложений некоторые производители встраивают цепи автоматического смещения).

Между тем, 600-вольтовые IGBT можно найти дома в электроприводах бытовой техники, подключенной к сети переменного тока 220 В, например, в стиральных машинах или сушилках. Основная область применения мощных MOSFET – безусловно, импульсные источники питания. В них транзисторы на напряжения 25, 30 или 40 В, называемые «низковольтные MOSFET», используются для получения питающих напряжений 5 или 12 В, необходимых компьютерам и телекоммуникационной аппаратуре.

Хотя и не всегда, инженеры склонны выбирать транзисторы с запасом по току и напряжению. Вы можете заметить, что в стиральной машине, которая подключается к сети 220 В, используются IGBT, рассчитанные на 600 или 650 В, а в силовых цепях плат серверных модулей, питающиеся от 5.0 В или 3.3 В, установлены MOSFET, допустимые напряжения которых начинаются с 30 В. И, наконец, на стереодинамики работают 100- и 200-вольтовые биполярные транзисторы.

Такой запас позволяет быть уверенным, что наши системы не останутся без источников питания. Кроме того, он защищает от резких выбросов напряжения и скачков тока. (Автомобильное оборудование особенно подвержено выбросам, и для того, чтобы справиться с бросками в 150 В, выбираются компоненты, рассчитанные на 400 В).

Убедить инженеров отказаться от чрезмерного запаса по предельным параметрам, в конечном счете, могут постоянное сглаживание, фильтрация и стабилизация на протяжении всей цепи прохождения питания. Такой подход затронул бы архитектуру вычислительных серверов, где такие производители, как, например, IBM и NTT DOCOMO выступают за распределительные сети 385 В постоянного тока для мегаваттных дата-центров и 48 В как промежуточное напряжение для стоек и шкафов. Это позволило бы разработчикам сузить границы предельных параметров мощных компонентов и, например, использовать меньшие по размерам и более дешевые 60-вольтовые компоненты в тех слотах, где раньше служили компоненты с допустимым напряжением 100 В. При этом инженеры должны обращать внимание на области безопасной работы (safe operating areas – SOA) тех транзисторов, которые они надеются использовать.

Области безопасной работы

Область безопасной работы определяется как множество значений тока и напряжения, в пределах которых можно ожидать, что устройство будет работать без повреждений.

Как правило, область безопасной работы представляется в виде графика в спецификации производителя. Ток в амперах отображается по оси Y. Максимальное напряжение сток-исток для MOSFET (или напряжение коллектор-эмиттер для биполярного транзистора) откладывается по оси X. Кривая обычно напоминает горнолыжный склон, где допустимый ток резко падает с увеличением напряжения.

Поскольку обычно MOSFET используются в импульсных схемах, некоторые производители транзисторов определяют область безопасной работы в зависимости от длительности импульсов (в миллисекундах). Если транзистор постоянно включен (проводит постоянный ток), то максимальный допустимый ток спадает быстрее, чем если ток пульсирует с интервалом 1 мс или 10 мс. Как видно из Рисунка 1, область безопасной работы будет наибольшей, когда транзистор переключается с периодом 100 мкс (что эквивалентно частоте 10 кГц). Таким образом, область безопасной работы любого транзистора зависит от коэффициента заполнения импульсов, то есть, от соотношения между временами включения и выключения.

Рисунок 1.	Область безопасной работы для напряжения и тока зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов.

Драйверы верхнего и нижнего плеча

При выборе транзисторов может оказаться желательным обратить внимание на способ включения MOSFET в схеме источнике питания. В частности, определить, подключена ли индуктивная или резистивная нагрузка между стоком MOSFET и положительной шиной питания (конфигурация, называемая «ключ нижнего плеча»), или же нагрузка подключена между истоком и землей («ключ верхнего плеча»).

Режимы работы транзисторов в верхнем и нижнем плече не всегда одинаковы. Когда драйвер верхнего плеча нагружен больше, чем драйвер нижнего плеча, вы озабочены тем, чтобы он не замкнулся на положительный источник питания. Аналогично, вы не захотите, чтобы драйвер нижнего плеча был закорочен на землю. Таким образом, требования, предъявляемые к драйверам верхнего и нижнего плеча, различны.

В драйвере нижнего плеча вывод истока n-канального транзистора соединен с землей, а сток соединен с индуктивной нагрузкой, другой вывод которой подключен к положительному источнику питания. Любой положительный заряд затвора включает транзистор, открывая путь протекания тока через нагрузку. В схеме нижнего плеча пороговое напряжение на затворе равно уровню логической единицы для управляющей ключом 3-вольтовой КМОП или 5-вольтовой логики.

В конфигурации верхнего плеча сток MOSFET подключается к положительной шине питания, а исток подключается к нагрузке, противоположный вывод которой соединен с землей. При этом только для того, чтобы просто включить n-канальный транзистор, на его затворе должно быть напряжение, равное напряжению на нагрузке (почти равное напряжению питания), плюс пороговое напряжение затвора (3 В).

Каналы p- и n-типа

Но p-канальные транзисторы сложны в изготовлении, и, соответственно, дороже обычных n-канальных приборов, а для их открывания может потребоваться отрицательное напряжение на затворе (или, по крайней мере, подключение затвора к земле). Это подходит для батарейного питания переносной аппаратуры, но неудобно для импульсных источников питания.

Одним из решений из решений может быть объединение n- и p-канального транзисторов в двухтактной конфигурации, где они проводят ток поочередно. Здесь стоки p-канального MOSFET верхнего плеча и n-канального MOSFET нижнего плеча соединены вместе, а их затворы управляются синхронно, в результате чего получается один сильноточный ключ. Разработчик должен контролировать процесс переключения, не допуская сквозных токов, которые могут возникать, если оба MOSFET включаются одновременно.

В качестве альтернативы не полностью согласованным p- и n-канальным MOSFET можно использовать микросхему драйвера затворов, которая управляет MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные). Оба транзистора могут включаться и выключаться одной микросхемой (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Разработчики могут выбрать микросхему драйвера затворов, управляющую MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные).

И последнее замечание. Низкое сопротивление сток-исток открытого транзистора (R_DS(on)) под нагрузкой не говорит о хороших переключательных характеристиках MOSFET, хотя обычно производители на первом месте указывают в спецификации именно низкое значение R_DS(on). От величины сопротивления R_DS(on) зависит эффективность полевого транзистора – чем оно меньше, тем меньше выделяется тепла. Однако при снижении сопротивления транзистора падает скорость его переключения. Это связано с тем, что для снижения R_DS(on) приходится увеличивать размеры затвора, что увеличивает его емкость и затрудняет управление транзистором.

Материалы по теме

Перевод: Дмитрий Иоффе по заказу РадиоЛоцман

Источник

Полевой транзистор МОП (MOSFET)

Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.

Откуда пошло название «МОП»

Если «разрезать» МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.

С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа — толстый кусок хлеба, диэлектрик — тонкий слой колбасы, слой металла — тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.

А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр — металлическая пластинка, колбаса — диэлектрик, хлеб — полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП — Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO₂), можно сказать почти стекло, то и вместо названия «диэлектрик» взяли название «оксид, окисел», и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).

Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.

Строение полевого транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.

Имеем «кирпич» полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике — это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. «Кирпич» P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.

Другие слои — это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом — сплошной.

В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P — канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET-транзисторе). Исток — это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток — это вывод, куда они притекают, а Затвор — это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движение электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения PN-переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакого движения электрического тока пока что не намечается.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать некоторое напряжение на Затвор, то в Подложке начнутся волшебные превращения. В ней будет индуцироваться канал. Индукция, индуцирование — это буквально означает «наведение», «влияние». Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: «через электрическое поле».

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить, и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле.

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов, так как в данный момент подложка P-типа. А раз и на Затворе положительный потенциал, а дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Картина будет выглядеть следующим образом.

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому, электронам ничего другого не остается, как просто создать «вавилонское столпотворение» около слоя диэлектрика, что мы и видим на рисунке ниже.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Вы наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно, этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался «проводок», по которому может бежать электрический ток.

Значит, если сейчас подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину.

Как вы видите, цепь стает замкнутой, и в цепи может спокойно течь электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал, следовательно, тем меньше сопротивление канала! А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор! Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью источника питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, «играя» напряжением на затворе. Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального полевого транзистора

Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.

Принцип работы показан на рисунке ниже.

Режимы работы полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме отсечки

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком. Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания. Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.

По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.

Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?

Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.

С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра.

Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.

Лампочка не горит. На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.

И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.

Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки.

Активный режим работы полевого транзистора

В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз. — пороговое напряжение Затвора. Указывается как V_GS(th), а в некоторых даташитах как V_GS(to) .

Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.

С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.

В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе. Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете. Читать по этой ссылке.

Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.

Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка — это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка — это какое-то постоянное сопротивление. Перерисуем нашу схему вот так.

где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом

А что такое мощность, рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.

Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I 2 _C R получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!

Режим насыщения полевого транзистора

Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал. В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.

В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).

На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.

Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома. Подставляя эти значение в формулу P= I 2 _C R, мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.

Ключевой режим работы полевого транзистора

В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.

Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы. В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).

Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, «захватив» по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой рабочий стол.

Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора. Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и «заткнуть» канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.

Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах — Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель), лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение V_GS — это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока I_D , которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер.

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

R_DS(on) — сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока = 25 Ампер).

Максимальная рассеиваемая мощность P_D — это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия — это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Как проверить полевой транзистор

Для того, чтобы проверить полевой транзистор, мы должны определить, где какие у него выводы. У нас подопытным кроликом будет тот же самый транзистор: IRFZ44N.

Для этого вбиваем в любой поисковик название нашего транзистора и рядом прописываем слово «даташит». Чаще всего на первой странице даташита мы можем увидеть цоколевку транзистора.

Хотя, интернет переполнен уже готовыми распиновками и иногда все-таки бывает проще набрать»распиновка (цоколевка) *название транзистора* «. Итак, я вбил ” IRFZ44N цоколевка” в Яндекс и нажал на вкладку “картинки”. Яндекс мне выдал уйму картинок с распиновкой этого транзистора:

Ну а дальше дело за малым.
Устройство и принцип работы в видео:

Проверка полевого транзистора с помощью мультиметра

Теперь, зная цоколевку и принцип работы транзистора, мы можем проверить его на работоспособность. Первым делом мы без проблем можем проверить эквивалентный диод VD2 между Стоком и Истоком. В схемотехническом обозначении его тоже часто указывают.

Как проверить диод мультиметром, я писал еще в этой статье.

Но не спешите брать мультиметр в руки и прозванивать диод! Ведь первым делом надо снять с себя статическое напряжение. Это можно сделать, если задеть метализированный слой водонагревательных труб, либо коснуться заземляющего провода. При работе с радиоэлементами, чувствительными к статическому напряжению, желательно использовать антистатический браслет, один конец которого закрепляется к заземляющему проводнику, например, к батарее отопления, а другой конец в виде ремешка надевается на запястье.

Далее замыкаем все выводы транзистора каким-нибудь металлическим предметом. В моем случае это металлический пинцет. Для чего мы это делаем? А вдруг кто-то зарядил Затвор до нас или он уже где-то успел «хапнуть» потенциал на Затворе? Поэтому, чтобы все было честно, мы уравняем потенциал на Затворе до нуля с помощью этой нехитрой манипуляции.

Ну а теперь со спокойной совестью можно проверить диод, который образуется в полевом транзисторе между Стоком и Истоком. Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, его схемотехническое обозначение будет выглядеть вот так:

Беремся положительным (красным) щупом мультиметра за Исток, так-как там находится анод диода, а отрицательным (черным) — за Сток
(там у нас катод диода). На мультиметре должно высветиться падение напряжения на диоде 0,5-0,7 Вольт. В моем случае, как видите, 0,56 Вольт.

Далее меняем щупы местами. Мультиметр покажет единичку, что нам говорит о том, что диод в полевом транзисторе жив и здоров.

Проверяем сопротивление канала. Мы с вами уже знаем, что в N-канальном транзисторе ток у нас будет бежать от Стока к Истоку, следовательно, встаем красным положительным щупом на Сток, а отрицательным – на Исток, и меряем сопротивление. Оно должно быть ну о-о-о-очень большое. В моем случае даже на Мегаомах показывает единичку, что говорит о том, что сопротивление даже больше, чем 200 Мегаом. Это очень хорошо.

Так как у нас транзистор N-канальный, следовательно, чтобы его приоткрыть, нам достаточно будет подать напряжение на Затвор, относительно Истока. Чаще всего в режиме прозвонки диодов на щупах мультиметра бывает напряжение в 3-4 Вольта. Все зависит от марки мультиметра. Этого напряжения будет вполне достаточно, чтобы подать его на Затвор и приоткрыть транзистор.

Так и сделаем. Ставим черный щуп на Исток, а красный на Затвор на доли секунды. На показания мультиметра не обращаем внимания, так как мы сейчас используем его в качестве источника питания, чтобы подать потенциал на Затвор. Этим простым действием мы приоткрыли наш транзистор.

Раз мы приоткрыли транзистор, значит, сопротивление Сток-Исток должно уменьшится. Проверяем, так ли это? Ставим мультиметр в режим измерения сопротивления и смотрим, уменьшилось ли сопротивление между Стоком-Истоком? Как видите, мультиметр показал значение в 2,45 КОм.

Это говорит о том, что наш полевой транзистор полностью работоспособен.

Конечно, бывает и такое, что малого напряжения на мультиметре не хватает, чтобы приоткрыть транзистор. Здесь можно прибегнуть к источникам питания, которые выдают более-менее нормальное напряжение, например, блок питания или батарейка Крона в 9 Вольт. Так как рядом не оказалось Кроны, то мы просто выставим напряжение в 10 Вольт. Напряжение на Затвор именно этого транзистора не должно превышать 20 Вольт, иначе произойдет пробой диэлектрика, и транзистор выйдет из строя.

Итак, выставляем 10 Вольт.

Подаем это напряжение на Затвор транзистора на доли секунды.

Теперь по идее сопротивление между Стоком и Истоком должно равняться нулю. Для чистоты эксперимента замеряем сопротивление щупов самого мультиметра. Эх, дешевые китайские щупы. 2,1 Ом).

А теперь и замеряем сопротивление самого перехода. Практически 0 Ом!

Хотя, если верить даташиту, должно быть 17,5 миллиОм. Теперь можно утверждать со 146% вероятностью, что наш транзистор полностью жив и здоров.

Как проверить полевой транзистор с помощью транзисторметра

На рабочем столе каждого электронщика должен быть этот замечательный китайский прибор, благо он стоит недорого. Про него я писал обзор здесь.

Здесь все просто, как дважды два. Вставляем транзистор в кроватку и нажимаем большую зеленую кнопку. В результате прибор сразу же определил, что это полевой МОП транзистор с каналом N-типа, определил расположение выводов транзистора, а также емкость затвора и пороговое напряжение открытия, о котором мы говорили выше в статье. Ну не прибор, а чудо!

Меры безопасности при работе с полевыми транзисторами

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим PN-переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим PN переходом — 250 Вольт. Поэтому, самое важное правило при работе с такими транзисторами — это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.

Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде бы спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Похожие статьи по теме «полевой транзистор»

Источник